高頻開關變換器中EMI產(chǎn)生的機理及其抑制方法

1 前言

開關電源具有體積小、重量輕、效率高等特點，廣泛用于通信、自動控制、家用電器、計算機等電子設備中。但是，其缺點是開關電源在高頻條件下工作，產(chǎn)生非常強的電磁干擾（Electromagnetic Interference,EMI），經(jīng)傳導和輻射會污染周圍電磁環(huán)境，對電子設備造成影響。本文從開關電源的電路結構、器件進行分析，探討了電磁干擾產(chǎn)生的機理及其抑制方法。

2 開關電源電磁干擾（EMI）產(chǎn)生的機理

開關電源的電磁干擾，按耦合途徑來分，可分為傳導干擾和輻射干擾。按噪聲干擾源可分為兩大類：一類是外部噪聲，例如通過電網(wǎng)傳輸過來的共模和差模干擾、外部電磁輻射對開關電源控制電路的干擾等；另一類是開關電源自身產(chǎn)生的電磁干擾，如開關管、整流管的電流尖峰產(chǎn)生的諧波及電磁輻射干擾。其中外部噪聲產(chǎn)生的影響可以通過電源濾波器進行衰減，本文不做討論，僅討論開關電源自身產(chǎn)生的電磁噪聲。
常規(guī)交流輸入的開關電源主要結構可以分為四大部分，其框圖如圖1所示。

其中輸入與整流濾波部分、高頻逆變部分、輸出整流與濾波部分是產(chǎn)生電磁干擾的主要來源。以下將通過對各部分電壓、電流波形的分析，闡明電磁噪聲產(chǎn)生的原因。

2．1 工頻整流器引起的電磁噪聲

一般開關電源為容式濾波，在輸入與整流濾波部分電磁噪聲主要是由整流過程中造成的電流尖峰、電壓波動所引起的。正弦波電源經(jīng)過電源濾波器進行差模、共模信號衰減后，由整流橋整流、電解電容濾波，得到的電壓作為高頻逆變部分的輸入電壓。由于濾波電容的存在，使整流器不象純整流那樣一組開通半個周期，而是只在正弦電壓高于電容電壓時才導通，造成電流波形非常陡峭，同時電壓波形變得平緩。電流、電壓的波形如圖2所示。

根據(jù)Fourier級數(shù)，圖中的電流、電壓波形可分解為直流分量和一系列頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦交流分量之和。通過電磁場理論以及試驗結果表明，諧波（特別是高次諧波）會產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾。通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導干擾，在空間產(chǎn)生電場、磁場向外輻射產(chǎn)生的干擾稱之為輻射干擾。

2．2 變壓器與開關管引起的電磁噪聲

逆變部分是開關穩(wěn)壓電源的核心，用以實現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓的調(diào)整，主要有開關管和高頻變壓器組成。電磁噪聲主要是由于變壓器的漏感、分布電容以及開關管的開通、關斷造成。開關電源中的高頻變壓器用作隔離和變壓，變壓器在理論分析時，通常認為是理想變壓器，但是在實際應用中變壓器存在漏感，而且在高頻的情況下，還要考慮變壓器層間的分布電容。高頻變壓器的等效電路模型如圖3所示。

從圖中可以看到變壓器層間的分布電容使開關電源中的高頻噪聲很容易在初次級之間傳遞。而且如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式通過變壓器的寄生電容傳到交流電源中。

開關電源的體積、重量減小的根本原因是使功率半導體器件工作在高頻開關狀態(tài)，但導致的結果是產(chǎn)生了非常嚴重的電磁干擾。其原因是在工作過程中產(chǎn)生高的di/dt和dv/dt，以及變壓器漏感，電路寄生電感與開關管寄生電容之間的高頻震蕩。開關電源中的電壓波形大多為接近矩形的周期波，比如開關管的驅(qū)動波形、MOSFET漏源電壓波形等。頻率高，一般在kHz以上，上升、下降時間短，dv/dt大，而且通過傅里葉展開以后，包含的諧波頻率非常高，很容易污染周圍的電磁環(huán)境。

開關管（比如MOSFET ）在開通關斷時，也會造成很強的電磁干擾。由于變壓器初級線圈漏感，電路寄生電感的存在，致使一部分能量沒有從一次側(cè)傳輸?shù)蕉蝹?cè)，漏感中儲存能量，關斷瞬間電流發(fā)生突變，di/dt非常高，產(chǎn)生反電動勢。由電磁場理論可知：E=-Ldi/dt。